ID-Theorie
Neurone
Aufbau eines Neurons
Die Fähigkeiten eines Neurons sind außerordentlich komplex. Ein Vergleich mit einem einfachen elektronischen Bauteil ist völlig unmöglich. Der Vergleich mit einem kompletten Mikroprozessor könnte noch am ehesten zutreffen, jedoch ist im Bereich der Technik kein derartig komplexer Prozessor, d.h. mit einer so extensiven I/O-Konfiguration im Angebot.
Das Neuron hat einen Durchmesser, der im Bereich von 2um bis 100um liegt. Die Eingangs-Erregungen werden im Soma des Neurons integriert und bei Erreichen eines definierten Summensignals wird im Axonhügel ein zeitabhängiges Aktionspotenzial generiert, das im Axon weiter geleitet wird. Die Richtung der Weiterleitung ist stets zum Axon-Ende hin. Der Moment der Auslösung des Aktions-Potenzials ist zelltypisch und von vielen Faktoren abhängig. Die Integration der Eingangsignale erzeugt ein Signal mit bestimmter Amplitute, die auch über den Schwellwert hinaus ansteigen kann. Im Axon-Hügel wird die Höhe der Amplitute frequenzcodiert an das Axon übergeben, das daher nur gleich hohe Amplituten weiterleitet. Erst die Synapsen am Axon-Ende erzeugen wieder eine amplitutengetreue Ausgabe des integrierten Eingangs-Signals.
Es gibt die unterschiedlichsten Komponenten im und am Zellkörper, die zur Funktion erforderlich sind.
Strukturproteine zur Aufrecherhaltung der Zellmembran-Feinstruktur.
Pumpenproteine: Zur Beförderung von Ionen und anderen Molekülen durch die Membran entgegen einem Konzentrationsgefälle.
Kanalproteine: Mit Ventilfunktion, um die Ionen und anderen Molekülen, durch die sonst undurchlässige Membran zu lassen.
Rezeptorproteine: Reagieren spezifisch auf Hormone oder Neurotransmittern, die Zellfunktionen aktivieren und steuern.
Dendrite:
Enzyme: Ermöglichen chemische Reaktionen der Membran.
Axon: Das Neuron hat ein Axon, das der Impuls-Weiterleitung dient. Viele Axone verfügen über eine spezielle Isolierschicht, die sogenannte Myelinscheide. Bei der Weiterleitung werden drei Fälle unterschieden, die aufgrund des Empfängers unterschieden werden. So gibt es axo-somatische, axo-axonische und axo-dendritische Impuls-Weiterleitung. Die eigentliche Kopplungsstelle zu anderen Zellen ist die Synapse. Ein Neuron besitzt etwa tausend bis zehntausend Synapsen.
Die Erregungs-Weiterleitung im Axon:
Das Axon entspringt dem Axon-Hügel am Soma des Neurons (selten an einem Dendrit). Es hat über seine gesamte Länge einen gleichbleibenden Durchmesser im Mikrometer-Bereich. Das Axon bildet in der Regel an mindestens einer Stelle Abzweigungen (Kollateralen), die dann alle in einer Synapse enden. Die Gesamtlänge aller Nerven-Fasern wird auf etwa 1 Million Kilometer geschätzt. Es gibt zwei wesentlich verschiedene Arten von Axons. Die eine Art verfügt über eine segmentierte Myelin-Umhüllung - die andere Art nicht. Für diese zweite Art erfolgt die Erregungs-Fortleitung wie folgt.
Während der Weiterleitung eines Reizes finden zwei Prozesse synchronisiert und alternierend über die gesamte Länge eines Axons statt. Der eine Prozess startet die Erregungs-Weiterleitung für jeweils das anliegende Segment des Axons, das in der Regel eine Länge von weniger als 0,1 mm hat. Der unmittelbar folgende Prozess regeneriert das soeben depolarisierte Segment des Axons, bzw. stellt die Ausgangssituation wieder her. Am Ende des zweiten Prozesse beginnt der permanente Prozess zur Aufrechterhaltung des Ruhe-Potenzials im Axon-Abschnitt. Dieser Prozess läuft gegen den Konzentrations-Gradienten ab, und daher muss Energie in Form von ATP zugeführt werden. Die Energie eines Moleküls ATP ist erforderlich, um mittels verschiedener Nano-Pumpen in Relation je 3 Na+-Ionen hinaus- und 2 K+-Ionen hinein zu transportieren. Eine Kalium- oder Natrium-Pumpe kann ca. 100 Na-Ionen bzw. 130 K-Ionen pro sec transportieren. Es gibt zudem regulierte Kanäle (Gated Channels), die durch bestimmte Zustandsgrößen aktiviert oder deaktiviert werden.
Die Membran mit einer Dicke von 5um, ist für verschiedene Substanzen unterschiedlich permeabel, was durch integrierte Ventile und Pumpen realisiert wird. Damit eine Weiterleitung stattfindet, muss das Membranpotenzial geändert werden. Das elektro-chemische Ruhe-Potenzial beträgt - 70mV, was durch eine spezifische Mischung der K, Na und Ca-Ionen bedingt ist, das sich im Verhältnis von 100:4:45 befindet. Dieser Mischungszustand wird permanent von Spannungs-Sensoren der Kanäle gemessen und aktiv durch geregelte Membranpumpen bzw. Membran-Ventile aufrecht erhalten. Als Pumpen dienen unterschiedliche Kanalproteine, die für die verschiedenen Ionen spezifiziert sind.
Die Na-Kanäle werden von einem elektrischen Spannungs-Sensor eingeschaltet. Im Ruhezustand (polarisierte Membran) sind die Na-Kanäle geschlossen. Durch einen Depolarisations-Impuls (Erregung) werden die spannungsgesteuerten Na-Kanäle im Nahbereich des elektrischen Feldes spontan geöffnet und Na-Ionen strömen ein. Die jetzt einströmende Menge pro Zeiteinheit beträgt etwa das 500-fache gegenüber der permanent im Hintergrund mit Pumpen zugeführten Menge. Damit erfolgt in einem kleinen Abschnitt des Axons von ca. 0,1mm eine sprunghafte Potenzial-Umkehr. Das Potenzial des Zellinneren beträgt jetzt ca. +30 mV. Die Feldstärke über einer 5um dicken Membran beträgt dann bis zu 10000 V/mm. Mit der geringen Verzögerung von etwa 1ms erfolgt dann das Öffnen der K-Kanäle, die die K-Ionen hinausbefördern. Dadurch beginnt die Refraktärphase, die dem Wiederherstellen des Ruhe-Potenzials dient. Gleichzeitig damit beginnen die oben erwähnten K- und Na-Pumpen zu arbeiten, die auch dem nachfolgenden Aufrechterhalten des Ruhe-Potenzials dienen. Während der Refraktär-Phase (oder Repolarisierungs-Phase) reagiert das Membran-Segment auf keine neue elektrische Polarisation.
Die soeben geschilderte Repolarisations-Phase ist nicht nur bedeutsam für die erneute Bereitschaft des Axon-Abschnitts, sondern insbesondere dafür, dass die Weiterleitung nur in einer Richtung erfolgen kann. Die Weiterleitung in den nächsten Membran-Abschnitt erfolgt ja bereits während der Repolarisations-Phase des vorhergehenden Membran-Abschnitts. Auf diese Weise wird eine wesentliche Forderung an die Axons erfüllt. Interessant ist jedoch, dass ein Axon, das eine Reiz-Zuführung an einer beliebigen Position zwischen Axonhügel und Axon-Ende erfährt, diese Erregung in beide Richtungen gleichzeitig weiterleiten kann.
Die Weiterleitung eines Aktions-Impulses erfolgt in den myelenisierten Axonen anders - jedoch ähnlich. Das am Axonhügel eingespeiste Aktions-Potenzial wird rein kapazitiv über die Entfernung der Breite der ersten Myelin-Hülle bis zum ersten Nodium weitergeleitet, da im Bereich der Hülle keine Ionen-Kanäle existieren. Diese umhüllten Segmente der Neuron-Membran haben jeweils eine Länge von ca. 1,3 - 2mm. Im Bereich des Nodium (Ranvierschen Schnürrings) hat die Membran die selbe Funktion wie bei den nicht umhüllten Axons. Am Nodium erfolgt jetzt die Regeneration des Impulses durch die spannungsgesteuerten Na-Kanäle. Die Breite des Nodes entspricht etwa einem Weiterleitungs-Segments bei den nicht umhüllten Axons. Dadurch wird gewährleistet, dass dieser Ring zugleich auch durch seine Repolarisation eine ungewollte Rückleitung des Aktions-Potenzials verhindert. Sobald der Membran-Abschnitt depolarisiert ist, erfolgt auch schon der Aufbau des elektrischen Feldes, das kapazitiv bis zum nächsten Node reicht. Der Sinn dieser Konstruktion ist eine wesentlich schnellere Weiterleitung als durch die Fortpflanzung der Na-Ionen-Welle im Axon möglich wäre. Die kapazitive Weiterleitung erfolgt jeweils über die Breite eine Myelin-Hülle bis zum folgenden Nodium. Der Prozess im Nodium-Bereich ist wieder chemisch und dient auch der Aufbereitung der Impuls-Amplitude.
Eine besondere konstruktive Herausforderung stellt die Energieversorgung innerhalb des bis zu 1m langen Axons dar. Wie bereits erwähnt, benötigen alle Prozesse Energie, um eine zu jederzeit verfügbare spontane Weiterleitung eines Aktions-Potenzials zu gewähren. Das Axon hat einen Durchmesser zwischen etwas weniger als 1um bis zu 20um.
siehe: Buchbesprechung: "Das Gehirn - Ein Unfall der Natur"
Neurone
Aufbau eines Neurons
Die Fähigkeiten eines Neurons sind außerordentlich komplex. Ein Vergleich mit einem einfachen elektronischen Bauteil ist völlig unmöglich. Der Vergleich mit einem kompletten Mikroprozessor könnte noch am ehesten zutreffen, jedoch ist im Bereich der Technik kein derartig komplexer Prozessor, d.h. mit einer so extensiven I/O-Konfiguration im Angebot.
Das Neuron hat einen Durchmesser, der im Bereich von 2um bis 100um liegt. Die Eingangs-Erregungen werden im Soma des Neurons integriert und bei Erreichen eines definierten Summensignals wird im Axonhügel ein zeitabhängiges Aktionspotenzial generiert, das im Axon weiter geleitet wird. Die Richtung der Weiterleitung ist stets zum Axon-Ende hin. Der Moment der Auslösung des Aktions-Potenzials ist zelltypisch und von vielen Faktoren abhängig. Die Integration der Eingangsignale erzeugt ein Signal mit bestimmter Amplitute, die auch über den Schwellwert hinaus ansteigen kann. Im Axon-Hügel wird die Höhe der Amplitute frequenzcodiert an das Axon übergeben, das daher nur gleich hohe Amplituten weiterleitet. Erst die Synapsen am Axon-Ende erzeugen wieder eine amplitutengetreue Ausgabe des integrierten Eingangs-Signals.
Es gibt die unterschiedlichsten Komponenten im und am Zellkörper, die zur Funktion erforderlich sind.
Strukturproteine zur Aufrecherhaltung der Zellmembran-Feinstruktur.
Pumpenproteine: Zur Beförderung von Ionen und anderen Molekülen durch die Membran entgegen einem Konzentrationsgefälle.
Kanalproteine: Mit Ventilfunktion, um die Ionen und anderen Molekülen, durch die sonst undurchlässige Membran zu lassen.
Rezeptorproteine: Reagieren spezifisch auf Hormone oder Neurotransmittern, die Zellfunktionen aktivieren und steuern.
Dendrite:
Enzyme: Ermöglichen chemische Reaktionen der Membran.
Axon: Das Neuron hat ein Axon, das der Impuls-Weiterleitung dient. Viele Axone verfügen über eine spezielle Isolierschicht, die sogenannte Myelinscheide. Bei der Weiterleitung werden drei Fälle unterschieden, die aufgrund des Empfängers unterschieden werden. So gibt es axo-somatische, axo-axonische und axo-dendritische Impuls-Weiterleitung. Die eigentliche Kopplungsstelle zu anderen Zellen ist die Synapse. Ein Neuron besitzt etwa tausend bis zehntausend Synapsen.
Die Erregungs-Weiterleitung im Axon:
Das Axon entspringt dem Axon-Hügel am Soma des Neurons (selten an einem Dendrit). Es hat über seine gesamte Länge einen gleichbleibenden Durchmesser im Mikrometer-Bereich. Das Axon bildet in der Regel an mindestens einer Stelle Abzweigungen (Kollateralen), die dann alle in einer Synapse enden. Die Gesamtlänge aller Nerven-Fasern wird auf etwa 1 Million Kilometer geschätzt. Es gibt zwei wesentlich verschiedene Arten von Axons. Die eine Art verfügt über eine segmentierte Myelin-Umhüllung - die andere Art nicht. Für diese zweite Art erfolgt die Erregungs-Fortleitung wie folgt.
Während der Weiterleitung eines Reizes finden zwei Prozesse synchronisiert und alternierend über die gesamte Länge eines Axons statt. Der eine Prozess startet die Erregungs-Weiterleitung für jeweils das anliegende Segment des Axons, das in der Regel eine Länge von weniger als 0,1 mm hat. Der unmittelbar folgende Prozess regeneriert das soeben depolarisierte Segment des Axons, bzw. stellt die Ausgangssituation wieder her. Am Ende des zweiten Prozesse beginnt der permanente Prozess zur Aufrechterhaltung des Ruhe-Potenzials im Axon-Abschnitt. Dieser Prozess läuft gegen den Konzentrations-Gradienten ab, und daher muss Energie in Form von ATP zugeführt werden. Die Energie eines Moleküls ATP ist erforderlich, um mittels verschiedener Nano-Pumpen in Relation je 3 Na+-Ionen hinaus- und 2 K+-Ionen hinein zu transportieren. Eine Kalium- oder Natrium-Pumpe kann ca. 100 Na-Ionen bzw. 130 K-Ionen pro sec transportieren. Es gibt zudem regulierte Kanäle (Gated Channels), die durch bestimmte Zustandsgrößen aktiviert oder deaktiviert werden.
Die Membran mit einer Dicke von 5um, ist für verschiedene Substanzen unterschiedlich permeabel, was durch integrierte Ventile und Pumpen realisiert wird. Damit eine Weiterleitung stattfindet, muss das Membranpotenzial geändert werden. Das elektro-chemische Ruhe-Potenzial beträgt - 70mV, was durch eine spezifische Mischung der K, Na und Ca-Ionen bedingt ist, das sich im Verhältnis von 100:4:45 befindet. Dieser Mischungszustand wird permanent von Spannungs-Sensoren der Kanäle gemessen und aktiv durch geregelte Membranpumpen bzw. Membran-Ventile aufrecht erhalten. Als Pumpen dienen unterschiedliche Kanalproteine, die für die verschiedenen Ionen spezifiziert sind.
Die Na-Kanäle werden von einem elektrischen Spannungs-Sensor eingeschaltet. Im Ruhezustand (polarisierte Membran) sind die Na-Kanäle geschlossen. Durch einen Depolarisations-Impuls (Erregung) werden die spannungsgesteuerten Na-Kanäle im Nahbereich des elektrischen Feldes spontan geöffnet und Na-Ionen strömen ein. Die jetzt einströmende Menge pro Zeiteinheit beträgt etwa das 500-fache gegenüber der permanent im Hintergrund mit Pumpen zugeführten Menge. Damit erfolgt in einem kleinen Abschnitt des Axons von ca. 0,1mm eine sprunghafte Potenzial-Umkehr. Das Potenzial des Zellinneren beträgt jetzt ca. +30 mV. Die Feldstärke über einer 5um dicken Membran beträgt dann bis zu 10000 V/mm. Mit der geringen Verzögerung von etwa 1ms erfolgt dann das Öffnen der K-Kanäle, die die K-Ionen hinausbefördern. Dadurch beginnt die Refraktärphase, die dem Wiederherstellen des Ruhe-Potenzials dient. Gleichzeitig damit beginnen die oben erwähnten K- und Na-Pumpen zu arbeiten, die auch dem nachfolgenden Aufrechterhalten des Ruhe-Potenzials dienen. Während der Refraktär-Phase (oder Repolarisierungs-Phase) reagiert das Membran-Segment auf keine neue elektrische Polarisation.
Die soeben geschilderte Repolarisations-Phase ist nicht nur bedeutsam für die erneute Bereitschaft des Axon-Abschnitts, sondern insbesondere dafür, dass die Weiterleitung nur in einer Richtung erfolgen kann. Die Weiterleitung in den nächsten Membran-Abschnitt erfolgt ja bereits während der Repolarisations-Phase des vorhergehenden Membran-Abschnitts. Auf diese Weise wird eine wesentliche Forderung an die Axons erfüllt. Interessant ist jedoch, dass ein Axon, das eine Reiz-Zuführung an einer beliebigen Position zwischen Axonhügel und Axon-Ende erfährt, diese Erregung in beide Richtungen gleichzeitig weiterleiten kann.
Die Weiterleitung eines Aktions-Impulses erfolgt in den myelenisierten Axonen anders - jedoch ähnlich. Das am Axonhügel eingespeiste Aktions-Potenzial wird rein kapazitiv über die Entfernung der Breite der ersten Myelin-Hülle bis zum ersten Nodium weitergeleitet, da im Bereich der Hülle keine Ionen-Kanäle existieren. Diese umhüllten Segmente der Neuron-Membran haben jeweils eine Länge von ca. 1,3 - 2mm. Im Bereich des Nodium (Ranvierschen Schnürrings) hat die Membran die selbe Funktion wie bei den nicht umhüllten Axons. Am Nodium erfolgt jetzt die Regeneration des Impulses durch die spannungsgesteuerten Na-Kanäle. Die Breite des Nodes entspricht etwa einem Weiterleitungs-Segments bei den nicht umhüllten Axons. Dadurch wird gewährleistet, dass dieser Ring zugleich auch durch seine Repolarisation eine ungewollte Rückleitung des Aktions-Potenzials verhindert. Sobald der Membran-Abschnitt depolarisiert ist, erfolgt auch schon der Aufbau des elektrischen Feldes, das kapazitiv bis zum nächsten Node reicht. Der Sinn dieser Konstruktion ist eine wesentlich schnellere Weiterleitung als durch die Fortpflanzung der Na-Ionen-Welle im Axon möglich wäre. Die kapazitive Weiterleitung erfolgt jeweils über die Breite eine Myelin-Hülle bis zum folgenden Nodium. Der Prozess im Nodium-Bereich ist wieder chemisch und dient auch der Aufbereitung der Impuls-Amplitude.
Eine besondere konstruktive Herausforderung stellt die Energieversorgung innerhalb des bis zu 1m langen Axons dar. Wie bereits erwähnt, benötigen alle Prozesse Energie, um eine zu jederzeit verfügbare spontane Weiterleitung eines Aktions-Potenzials zu gewähren. Das Axon hat einen Durchmesser zwischen etwas weniger als 1um bis zu 20um.
siehe: Buchbesprechung: "Das Gehirn - Ein Unfall der Natur"